（微电子学与固体电子学专业论文）一种谐振模式电源管理芯片的设计.pdf

摘要 摘要 电子技术高速发展的今天，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切， 而电子设备都离不开可靠的电源。随着集成电路的发展，各种电子设备的体积显 著减小，迫切需要其电源具有小体积、高可靠、高效率的特点。显然，传统的线 性电源系统无论从体积效率、性能以及可靠性等各万面均已无法适应要求。为此， 与传统硬开关变换器不同的是软开关谐振技术发很快的发展起来，在计算机、通 信、雷达、电子仪器、家用电器中己得到广泛应用，在开关电源领域占有一席之 地。 本文对电源基本原理和工作模式进行了研究，分析。叙述了硬开关p w m 变换 器，软开关技术，谐振变换技术。设计了一种谐振模式电源管理芯片。它是一款 通用芯片，其多种功能，可编程的特点实现了对定时频率调制控制和其他各种电 源系统进行控制。该芯片包含精确的电压基准源，宽带宽的误差放大器，变频振 荡器，双端口输出驱动，可编程触发器。并且它还含有闲置比较器，软启动电路， 故障管理以及欠压锁存等模块。它们实现了该款芯片对可变频，定时方案控制方 案的功能，保障了该芯片在遇到过压，欠压，产生差错等的情况下能够即时的做 出反应，提高了芯片工作的可靠性。 本文对各个模块进行了原理上的阐述，以及电路实现，并且逐个对各个模块 快进行了仿真，仿真结果表明，本文的设计完全符合各项性能指标，达到了预期 目标。 关键词：软开关谐振技术电源电压基准误差放大欠压锁存 a b s t r a c t e l e c 仃o i l i ct e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l yt o d a y e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v e c l o s er e l a t i o n s h i pw i t hl i v i n ga n dw o r k i n go fp e o p l e ，w h i l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t c a l l n o tb es e p a r a t e df r o mar e l i a b l ep o w e rs u p p l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi c ，av a r i e t yo f e l e c 仃o m cd e v i c e sr e d u c et h es i z e ，n e e dp r o v i d ee n e r g yp o w e r sw i t hs m a l ls i z e ，h i g 上l r e l i a b i l i t y , h i 幽e f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c su r g e n t l y h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a ll i n e a rp o w e r s v s t e l nh a sb e e nu n a b l et om e e tt h en e e d si nt e r m so fs i z e ，p e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y b e c a u s eo ft h et e a s o n sa b o v e ，t h er e s o n a n tt e c h n o l o g yo fs o f t - s w i t c h i n gi sd e v e l o p i n g q u i c k l yw h i c hi sd i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a lh a r d - s w i t c h i n g c o n v e r t e r ，t h i st e c h n o l o g y w l l i c hi sp l a y i n gv e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sb e e n w i d e l yu s e di nc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n s ， e l e c t r i c a la p p l i a n c e s r a d a r , e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，h o u s e h o l d t h eb a s i cp r i n c i p l e so fp o w e ra n dw o r kp a t t e r n sh a v e b e e ns t u d i e da n da n a l y z e d i n t h i sp a p e r a l s ot h eh a r d - s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ，s o f t s w i t c h i n g a n dr e s o n a n t t r a n s f o r mt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e d ak i n do fr e s o n a n tm o d ep o w e rm a n a g e m e n tc h i p s h a sb e e nd e s i g n e 正w h i c hi sav e r s a t i l es y s t e mf o rr e s o n a n tm o d ep o w e rs u p p l yc o n t r o l t h i sd e v i c ei m p l e m e n t sf r e q u e n c ym o d u l a t e df i x e d o n t i m ec o n t r o ls c h e m e sa sw e l la s an u l b e ro fo t h e rp o w e rs u p p l yc o n t r o ls c h e m e sw i t hi t sp r o g r a m m a b l ef e a t u r e s a p r e c i s i o nv o l t a g er e f e r e n c e ，aw i d e - b a n d w i d t he r r o ra m p l i f i e r ，av a r i a b l ef r e q u e n c y o s c i l l a t o r ad u a lo u t p u td r i v e r ，a n dap r o g r a m m a b l et o g g l ef l i p f l o pi si n c l u d e di n t h i s c h i p ，w h i c ha l s oc o n t a i n sa nu n c o m m i t t e dc o m p a r a t o r ，o n e s o f ts t a r tc i r c u i t ，af a u l t m a n a g e m e n tm o d u l ea n do n e u n d e rv o l t a g el o c k o u tc i r c u i t a l lt h e s ep a r t si m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft h ec h i p ，r e a l i z et h ef u n c t i o no fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o la n dt i m i n g c o n t r 0 1 w h i c hc o u l dr e a c ti m m e d i a t e l ya sw e l l w h e no v e rv o l t a g e ，u n d e rv o l t a g ea n d 9 1 t o r $ h a p p e n t h ep r i n c i p l e so fe v e r ym o d u l eh a sb e e nd e s c r i b e d ，a n dt h ec i r c u i t r yo fe v e r y m o d u l eh a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c ha r es i m u l a t e db ye d a t o o l s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h i sc h i pi sd e s i g n e dt om a t c h t h ed e m a n d i n go fr e q u e s t k e y w o r d ：s o f t - s w i t c h r e s o n a n tt e c h n o l o g y v o l t a g er e f e r e n c e e r r o r a m p l i f i e r u v l o 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：蹈边垄1日期翌j ：兰：至2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：陛；遴l日期塑j ：2 ：兰 导师签名：家终日期丘渔乏垒：一! ： 第一章绪论 第一章绪论 当代计算机、通讯等许多高新技术均与电源的电流、电压、频率和相位等基 础参数的转换、控制相关，现代电子技术能够精确控制和高效率的处理这些参数， 特别是能够实现大功率电能的频率变换和稳压，为其他多项高新技术提供了发展 的基础。电源变换新技术及其产业的进一步发展也为大幅度节能降耗、节省材料 以及为提高生产效率提供了重要手段，并给现代化生产和生活带来深远影响。 1 1 电源管理技术简介 电源管理( p o w e rm a n a g e m e n t ) 技术的核心是电源转换，即将市电或电池等一次 电源转换成适用于各种用电对象的二次电源。电源管理产品市场近期呈现快速增 长趋势，在半导体市场上甚至超过了数字处理器和存储器等半导体的增长速度。 因此，当前从事电源管理产品的公司众多，尤其在国内具有数量众多的电源芯片 公司。 电源转换技术分为线性电源和开关电源。线性电源可以达到很高的稳定度， 波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而 笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工 作在线性状态，虽然开关电源纹波较大，会产生电磁干扰，会对周围设备有干扰。 但是，开关电源体积小、重量轻、效率高、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、 模块化。总体而言，开关电源具有更高的性能和价格，目前市场上的电源产品以 开关电源为主。 开关电源根据实现功能可分为a c d c ( 交流直流) 和d c d c ( 直流直流) 两个大 类，d c d c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均己成熟和 标准化，并已得到用户的认可，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块 化的进程中，遇到较为复杂的技术和制造工艺问题。a c d c 转换器主要应用的场 合非常多，比如电源适配器、各种家用电器的电源等。随着经济的发展和科学技 术的进步，节约能源己被社会各界所重视。电源是各种用电设备的动力装置，是 电子工业的基础产品，也是节约能源的重要环节。各政府和行业组织相继出台了 新的电子设备节能标准。加州能源委员会( c e c ) 、能源之星、联邦能源管理计划 ( f e m p l 以及欧洲、日本和中国的同类机构所制定的法规，都针对大量常见的消费 类产品的外接电源在待机和带载模式下的功耗设定了最高功耗水平。无论是为了 环保节约能源，还是为了符合能源标准，研究如何提高电源产品的转换效率都具 2 一种谐振模式电源管理芯片的设计 有十分重要的意义。 1 2 线性稳压电源与开关电源 1 2 1 线性稳压电源 线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。线 性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直 流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源 技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干 扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和 重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降， 在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的 散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。 1 2 2 开关电源 开关电源是应用功率半导体器件，在一个电路拓扑中运行于“开关状态”，按一 定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源。开关电源主要包括输入电 网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。 开关电源是将交流电先整流成直流电，再将直流逆变成交流电，在整流输出成所 需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。 而开关电源中的逆变电路完全是数字调整，同样能达到非常高的调整精度。开关 电源工作原理不同于传统线性稳压电源，它是采用功率半导体器件作为开关元件， 通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。它直接将电网工 频电压经过整流滤波为直流电压，再经住变换电路处理后经输出整流滤波，反馈 电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放大处理，以 此调节输出的p w m 脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的 直流电压。 与线性电源相比开关电源有如下优点： ( 1 ) 功耗小，效率高。功率半导体器件在激励控制信号的激励下交替工作在导 通截止和截止导通的开关状态，转换速度快，频率高。这使开关器件功耗很小， 电源效率大幅度提高，其效率可达8 0 以上。开关电源效率高( 一般为6 0 - 7 0 ， 而线性电源只有3 0 - 4 0 ) 、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。 ( 2 ) 体积小，重量轻。从开关电源基本结构框图可以清楚看到，这里没有采用 笨重的工频变压器，再加上调整管上耗散功率大幅度降低以后又省去了较大的散 热片。因此开关电源的体积小，重量轻。 ( 3 ) 滤波的效率大为提高，滤波电容的体积和容量大为减小。开关电源工作频 第一章绪论 率目前基本上是在5 0 k h z ，是线性稳压电源的1 0 0 0 倍，这使整流后滤波效率几乎 也提高了1 0 0 0 倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了5 0 0 倍，在相 同纹波输出电压的要求下，采用开关电源时的滤波电容容量只有线性稳压电源中 滤波电容容量的1 1 0 0 0 1 5 0 0 。 ， ( 4 ) 稳压范围宽。开关电源的输出电压是由激励控制信号的占空比来调节的。 输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变 化较大时，它仍能保证稳定的输出电压，所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效 果好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。所以开关电源 不仅拥有稳压范围宽的优点，而且实现稳压方法也较多。 ( 5 ) 电路形式灵活多样。比如：有自激式和他激式；单端式和双端式；隔离型 和非隔离型；调宽型和调频型。设计者可发挥各种电路特长，设计出能满足不同 场合所需的开关电源。 但开关电源也有本身的缺点： ( 1 ) 存在较为严重的开关干扰。开关电源中主要功率开关管工作在开关状态， 它产生的交流电压和电流会通过电路中其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这 些干扰如果不采取一定措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机工作。此 外由于开关电源与电网间没有工频降压变压器的隔离，这些干扰会串入工频电网， 污染电网并影响其它电子仪器、设备的工作。 ( 2 ) 输出纹波较大。由于开关电源体积的限制，电解电容的容量不可能无限制 增加，所以导致低频纹波存在。而随着开关电源频率的提高，在每次主开关管的 开关过程中都要产生相应尖峰电压过冲，使得开关电源输出电压中包含两倍于主 开关管工作频率的共模纹波。 ( 3 ) 电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。 1 2 - 3 开关电源发展趋势 今天，开关电源最主要的市场在小功率领域，但在中等功率以至较大功率领 域，开关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深入，在 中等功率及以上的领域内应用更广阔。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势 可概括为：高频化、小型化、高效率、无污染、模块化 1 3 课题的背景和研究意义 电子技术高速发展的今天，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切， 而电子设备都离不开可靠的电源。随着大规模集成电路( l s i ) 的出现，特别是超大 规模集成电路( v l s i ) 向超高速集成电路( v h s i c ) 的发展，各种电子设备的体积显著 减小，迫切需要为其提供能量的电源具有小体积( 高功率密度) 、高可靠、高效率的 4 一种谐振模式电源管理芯片的设计 特点，而且能够输出低电压大电流。显然，传统的线性电源系统无论从体积效率、 性能以及可靠性等各万面均已无法适应要求。目前，世界各国正在大力研制开发 新型开关电源，这是节约能源的重大举措。开关电源具有体积小、重量轻、损耗 小、效率高、应用范围广等特点，在计算机、通信、雷达、电子仪器、家用电器 中己得到广泛应用，逐渐取代了众多领域内的传统线性电源，成为电子电源中的 主流产品。截止到目前，全球开关电源制造商超过5 0 0 家。刺激开关电源市场进 一步扩大并继续推动开关电源技术进步的主要用户是计算机及其外围设备。另外， 快速发展的通信及消费品市场也正逐渐引起开关电源厂商的关注。技术的进步如 功率系数的校正、相位调制、高频电源转换、零电压及零电流转换、单片式转换 器己为该工业注入了新的活力。随着这些实用技术的发展，开关电源的设计也将 会得到较大的改进。开关电源技术结合开关变换器理论，专用集成电路和功率半 导体器件技术，它运用功率变换器进行电能变换，从而满足各种用电要求。计算 机、通讯、汽车等行业的迅速发展促进了我国开关电源市场不断增长，开关电源 控制器芯片的研究已成为国内功率电子学领域中颇受关注的热点。 1 4 论文安排 第一章，介绍了电源管理技术概念，分类。比较了开关电源与线性电源，阐 述了开关电源今后的发展趋势。叙述了当前研究发展的状况以及电源管理的研究 意义。 第二章，研究分析了电源管理芯片的相关理论与技术，叙述了开关电源的控 制方式，软开关技术，谐振开关技术。 第三章，给出了该芯片系统设计指标，简述了工作原理，设计出了系统框图， 简要介绍了各个模块的功能。 第四章，分别介绍了各个模块的设计指标。详细分析了各个模块电路的原理， 实际电路的实现方法，并对各个模块进行仿真。 第五章，总结。 第二章开关电源技术 第二章开关电源技术 现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的 直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力 电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或者多种形式电能的装 置，按转换电能的种类，可分为四种类型：1 、直流直流变换器；2 、逆变器；3 、 整流器：4 、交变频器。其中直流一直流变换器是将一中直流电能转换成另一种或 多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件。 2 1 开关电源分类 目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开 关”两类。所谓硬开关，是指电子脉冲，外加控制信号强行对电子开关进行“开”和 “关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关在接通 和管段期间是有电流，电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。但是他比 其他变换电源的形式简单很多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调 制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用 p w m 来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。 可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压， 脉冲尖峰电压的抑制能力很大，器件工作频率可以提高到5 m h z 以上，开关电源 的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采 用谐振的方法。从电子理论可以知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零， 电路中的电流为无穷大。如果正弦波电压加到并联谐振的电感回路上，这是电感 上的电压就为无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡到零时，电子开 关导通，称之为零电压导通( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 。同样，流过电子开关的电 流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断( z e r ov o l t a g ec u r r e n ts w i t c h i n g ) 。 总之电子开关具有零电压导通，零电流关断的外部条件，这种变换器称之为准谐 振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固体电子开关导通时间， 通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐 振变换器开关电源的输出电压不随输入电压变化而变化，它的输出电流也不随用 电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数， 我们称之为调频开关电源。下面本文着重介绍p w m 变换器，软开关技术，谐振开 关技术。 6 一种谐振模式电源管理芯片的设计 2 2 硬开关p w m 变换器 在开关变换器的发展过程中，硬开关器件p w m 变换器的研究最早，相关理论 也基本成熟，它是软开关变换器的基础。由于该技术比较成熟，控制简单，功率 拓扑简洁，目前它在实际工程应用中依然占据主导地位。一般来说，所谓 p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但通 过改变开关的接通时间的长短( 即脉冲宽度) ，使得当负载变化时，负载上的电压输 出变化不大的方法。脉宽调制硬开关技术产生于上世纪5 0 年代，经过6 0 年代的 成长期、7 0 年代的发展期和8 0 年代的成熟期，迄今为止己经获得了广泛的应用。 但是，由于电子开关是一种“硬开关”，即功率开关管的开通或关断是在器件上的电 压或电流不等于零的状态下强迫进行的，电路的开关损耗很大。这使得p w m 开关 技术的高频化受到了许多的限制，主要表现在以下四个方面： ( 1 ) 开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关 断时，电压上升和电流下降同时进行。电压电流波形的交叠致使器件的开通损耗 和关断损耗随开关频率的提高而增加。 ( 2 ) 感性关断问题：电路中难免存在感性元件，如变压器的漏感、连线电感等寄 生电感或实体电感，在高频状态下，开关器件关断，当通过该感性元件的电流较 大时，感应出的高尖峰电压加在开关器件的两端，易造成电压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容 中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。 ( 4 ) 二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截至时存在反向恢复期，在此期间 内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关管，容易造成直流电源 瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管的损耗急剧加大， 重则致其损坏。 2 3 软开关技术 为了不断提高功率变换器的品质，满足电子设备不断提高的要求，针对硬开 关p w m 变换器的不足，相应提出了软开关变换器的概念并得到广泛的研究。高频 化是开关变换技术的重要的发展方向，其原因是高频化可以使开关变换器( 特别是 变压器、电磁等磁元件和电容) 的体积、重量大为减小，从而提高变换器的功率密 度( 单位体积的输出功率) 。而且开关频率的提高对于降低开关电源的音频噪声和改 善动态响应也大有好处。计算机芯片的超大规模化为这种实现提供了可能。 第二章开关电源技术 7 2 3 1 软启动理论 高频变换电路中的关键器件，大功率场效应管( m o s 管) 和功率绝缘栅晶体管 ( i g b t 管) 的应用，使高频开关电源整流器工作频率越来越高，高频变压器和滤波 器体积越来越小，整流器体积变小，成本降低。所以，应尽可能提高开关频率。 但是，频率越高，开关损耗越大，整流器效率越低，散热器体积越大，这又限制 了频率的提高。 2 3 2 开关损耗 在开关电源中，开关器件的开关过程需要一定时间，不是瞬时完成的。在这 个时间内，开关器件两端出现既有电压又有电流的状态，电压和电流有一个交叠 区，从而产生损耗，称之为开关损耗。 图2 1 中所示为一只m o s f e t 的开关过程。v 擎为栅极控制信号，v d 。为漏源电压， i d 。为漏源电流，p j o s 。为开关管的损耗功率，p l 矿v 。i d s 。 t t t 图2 1 开关管开关过程波形图 一开始，在t l 时刻以前v 矿o ，开关管截止，管中只有很小的漏电流，p 1 0 s 。o 。 t 1 时刻v z 。变为高电压，大于开启电压，开关管开始导通，由于开关管漏源寄生电 容要通过开关管放电，因此开关管中流过较大的电流。开关管中的能量全部消耗 在开关管中。直到t 2 时刻，开关管完全导通，开关管两端只有很小的导通压降。t 3 时刻开关管开始关断，开关管漏源电容开始充电，流过开关管的电流从峰值开始 下降。直到t 4 时刻完全关断。各个时刻的损耗功率如图2 1 中p 1 0 鼹所示。 图2 1 所示的开关过程伴随着很大的开关损耗，称为硬开关。早期的开关电源 变换器大多数采用硬开关技术，由于开关损耗导致的开关管温度上升，需要加很 大的散热片，降低了效率，增大了变换器的体积，由此人们提出了软开关技术。 2 3 3 软开关技术 因为传统d c d c 变换器在硬开关状态下工作的开关损耗问题，该领域一支被 深入广泛的研究，软开关技术随之孕育而生。所谓“软开关”通常是指零电压开关 ( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 。最理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流 一种谐振模式电源管理芯片的设计 再缓慢上升到通态值， 所以开通损耗近似为零。因器件开通前电压已下降到零， 器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题。最理想的软关断过程：电 流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关 断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。 软开关的分类g 软开关技术包括软开通和软关断，如图2 2 所示。软开通有零 电流开通和零电压开通两种：软关断有零电流关断和零电压关断两种，可按照驱 动信号的时序来判断。 开通波形 关断波形 i u 软开关 弋产1 厂 tlt 2 tlt 2 硬开关 二x 兰 、 _ 、一 图2 2 软开关m o s f e t 的理想波形和硬开关的波形 零电流关断：关断命令在t 2 时刻或其后给出，开关器件端电压从通态值上升 到断态值，开关器件进入截止状态。 零电压关断：关断命令在t l 时刻给出，开关器件电流从通态值下降到断态值 后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。在t 2 以前，开关 器件的端电压必须维持在通态值( 约等于零) 。 零电压开通：开通命令在t 2 时刻或其后给出，开关器件电流从断态值上升到 通态值，开关器件进入导通状态。在t 2 以前，开关器件端电压必须下降到通态值( 约 等于零) ，并且在电流上升到通态值以前维持在零。 零电流开通：开通命令在t 1 时刻给出，开关器件端电压从断态值下降到通态 值以后，电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t 2 以前开关 器件电流必须维持在断态值( 约等于零) 。 2 3 4 软开关技术的一般实现方法 如图2 3 中所示为零电流开关的基本实现方法，与主开关管( m o s f e t 或i g b t ) 串联的谐振电感在开关管开通时阻止电流i 。的上升，这样在v d 降至接近零后，i 。 保持较小值，因而获得了零损耗的开通过程。电感中的电流i 。在栅极关断信号( v 。 变负) 发出之前，谐振到零，串联的二极管阻止电流反向上升，因此开关管是零损 耗关断的。但是必须指出，由于开关管的漏源之间存在寄生电容或外部并联的电 容，电容中的能量全部消耗在开关管中，在开关频率较高时( 5 0 k h z 以上) ，引起的 开关损耗是很严重的。 第二章开关电源技术 9 v g 1 c v d ll ! 一 i ； ： ； 一 弋i ；届l t t t j z v d ， 图2 3 零电流开关的基本实现方法 如图2 4 为零电压开关的基本实现方法，开关管零电压关断的实现是通过与开 关管并联的电容来实现的，由于并联电容的存在，减小了开关管的漏源电压的上 升率，在开关管中的电流衰减到零时，v d 依然保持较小值，因此获得零电压关断。 开关管零电压开通的实现是通过与其串联的电感实现的。在开关管开通前，电感 中的电流为负，给开关管的漏源电容放电，只要电感中有足够的能量( 大于c e f f u d 2 2 1 ，在开关管开通前使v d 降为零，就创造了开关管零电压开通的条件。与开关管 并联的二极管在开关管漏源电压降为零后，提供电感电流通路，开关管可在这个 时段开通，电感电流在外部电压的作用下变为正向后，从开关管中流通，从而完 成了零电压开通的过程。从中可知零电压开关时，寄生电容中的能量是反馈到电 源中去的，没有消耗在开关管中，与零电流开关相比，零电压开关可以获得较高 的效率，从而提高了开关频率。 式： v g l c v d ll- i i i i ； y：d。 一 弋i 厂。 图2 4 零电压开关的基本实现方法 2 4 谐振变换技术 谐振方式可以分为串联谐振式，并联谐振式和串并联谐振式，准谐振或多谐振 ( 1 ) 串并联谐振技术。串联谐振变换器( s r c ) 和并联谐振变换器( p r c ) ：串联谐振 l o 一种谐振模式电源管理芯片的设计 变换器中，谐振电感和电容与输出变压器原边绕组串联：而并联谐振变换器中，谐 振电感和电容与输出变压器原边绕组并联。二者都是应用谐振原理，使开关变换 器的电流( 电压) 按正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，开关管关断；偶或开 关管电压为零时导通，从而实现了串并联谐振变换器。谐振变换器一般应用于大 功率，输入电压较窄的场合。串联谐振变换器适用高电压、小电流：并联谐振变 换器适用于低电压、大电流。 ( 2 ) 准谐振或多谐振技术。降压型z v s ，q r c 和z c s q r c 是利用z v s 谐振开 关和z c s 谐振开关代替p w m 开关的软开关变换器技术。 准谐振变换器也可以用两个以上谐振元件组成多谐振开关代替p w m 开关变 换器中的p w m 开关，实现多个谐振频率的准谐振变换器( m u l t i r e s o n a n t c o n v e r t e r ) 。谐振变换器( q r c ) 实现了软开关，提高了开关频率，降低了开关损耗， 但其输出电压与开关频率有关，为保证输出电压不变，必须采用变频调制。因此， 控制方式不如p w m 变换器简单，并且变压器、电感等元件的最低频率设计不易现。 因此，出现了将p w m 恒频控制和q r c 相结合的z v s p w m 和z c s p w m 变换技 术。 2 5 本章小结 本章介绍了开关电源技术，分类。比较了其优缺点。着重介绍了硬开关、软 开关、谐振等理论。本章内容在理论上为后续工作奠定了基础。 第三章电源管理芯片系统设计 第三章电源管理芯片系统设计 本章研究分析了二款谐振模式电源管理芯片的系统设计，通过简单外部电路， 就可以实现多种频率下的d c d c 电流模式开关电源的功能。后面将详细介绍。 3 1 芯片的主要设计指标 本文完成一款谐振模式电源管理芯片的设计，是一种双端输出式的开关集成 稳压器。该芯片应具有检测错误功能的模块和可提供软启动和重启功能的模块。 输出电路为可编程模式。 根据设计要求，本款芯片设计应具有以下设计性能： ( 1 ) 工作电压2 0 v ，工作电流d c 应达到0 8 a ，电源接地电压为 4 - 0 2 v ，5 0 时在d i p 封装下功耗要小与1 5 w ，在p l c c 封装技术下要小于1 2 5 w 。 ( 2 ) 放大器要求应具有高增益、低失调、宽带宽和精确可调输出摆幅 ( 3 ) 振荡器工作频率应达到1 5 姗z 。 ( 4 ) 可精确检测电源电压和基准电压。 ( 5 ) 故障管理模块，该模块提供软启动和重启功能。 ( 6 ) 可编程模式输出电路。 3 2 芯片系统设计 根据上一节所列出的芯片各项指标，以及上一章开关电源技术理论知识，结 合现代开关电源流行设计方法，设计出芯片的系统原理框图如图3 1 。 芯片内部主要包含的模块有： 1 高精度的基准电压源模块( v r e 0 ，输出电压典型值为5 v ； 2 具有高增益、低失调、宽带宽和精确可调输出摆幅的误差放大器模块( e a ) ， 该放大器的开环差模增益典型值为8 0 d b ，电源电压抑制比典型值为1 0 0 d b ，典型带 宽为5 m 。； 3 频率可调的振荡器部分( v f o ) ，典型工作频率为1 5 m h z ； 4 可精确检测电源电压和基准电压的欠压锁存模块( u v l o ) ； 5 故障管理模块( f a u l tm a n a g e m e n t ) ，该模块提供软启动( s o f ts t a r t ) 和重启功能( r e s t a r t ) ： 6 可编程模式输出电路部分( o u t p u ts t a g e ) ，该电路包括可编程t 触发器和 双端图腾柱输出结构。 一种谐振模式电源管理芯片的设计 v c c u o 弘酗 e a i n ( - ) i v f o 懒 雹旺g o s c d s b l r c n i c i d i e c 2 k , f l 酬 鲫琢( ) s e 了s t r t r s t d l y f i 即) 乳t ( ) s ( 拭d 图3 1 系统框图 3 3 芯片的工作原理简述 e a 鲫 玎a o u 了b p g n d c 氛癣o w 本文所设计的芯片为谐振模式电源管理芯片，下面简述其工作原理： 系统上电，并且处于正常工作时，欠压锁存模块和基准模块产生电源电压稳 定的指示电压和5 v 的基准电压，为后级的振荡器、误差放大器、故障管理模块和 输出部分提供电压。无故障状态时，振荡信号直接经过输出部分输出，电路有故 障产生时，振荡信号直接被拉低，电路无输出，同时系统会产生一段时间的等待 时间，若等待时间后故障解除，电路重新开始工作，若故障依旧没有被解除，电 路一直等待，直至故障解除。 芯片电路框图等效构中的各端口详细说明见表3 1 。 表3 1 芯片整体电路等效构架图端口说明 端口符号端口说明 v c c 输入电源电压端。该端输入电源电压的极限值不超过2 0 v 。 v r e f 内部高精度5 0 v 基准电压源的输出端 e a ( + ) 误差放大器的正相输入端 误差放大器的反相输入端。通过该端设置误差放大器所具有 e a i n ( 一) 的2 8 - - 一4 5 v 的共模输入电压范围。 e a o u t 误差放大器的输出端 u v l o 欠压锁存比较器的输入端 i v f o 可变频率振荡器的控制输入端 c v f 0 可变频率振荡器的外接定时电容端 第三章电源管理芯片系统设计 t g振荡器输出的控制与限定端 o s cd s b l功能同于t g 端 r c 单次触发定时器的外接定时电容c 端和外接定时电阻r 端 m o d e 反转触发器的模式控制端 c m p 烈( + ) 闲置比较器的正相输入端 c m p 矾( 一) 闲置比较器的反相输入端 c m p o u t 闲置比较器的输出端 s f ts t r t 软启动端 r s td i 复位启动延迟端 f u ( + ) 故障检测比较器的正相输入端 f l t ( - )故障检测比较器的反相输入端 s g n d模拟信号检测和控制接地端 p g n d 驱动级和功率变换级的公共接地端 o u l j a芯片的a 路输出驱动级 o u t b 芯片的b 路输出驱动级 系统初始上电，在欠压锁存模块中，欠压封锁开关阈值分别定位1 7 v 和1 0 v 。 这为隔离式开关电源提供了充分的启动时间和自举时间，同时提供足够的 m o s f e t 驱动电压。也可以把欠压锁存u v l o 重新定为其他阈值起关闭作用。当 u v l o 无效时，芯片的基准电压保持在低电平，这时芯片内部电路停止工作。较 高精度的5 v 带隙基准能驱动i o n i a 的最大内部负载。 为了使输出电压v o u t 如预期所设计，一部分输出电压从电源的输出接到误差放 大器的反相输入端，该运算放大器有较高的增益带宽。在v f o o s c 输入电压之上 的误差放大器输出电压在0 2 v 之间摆动。除了电压( 电流) 至频率的变换增益外， 这种结构容易得到最大变换频率箝位。 误差放大器输出可变输出电压，工作在可变频率工作方式，此输出电压在v f o 可变电流输入端i v f o 被转换为可变电流。内部电路把这个电流反射给v f o 定时电 容c v f o 当r v f o 、c v f o 上的电压等于2 0 v 时产生的最大频率，和误差放大器的上 限筘位相一致。最小频率通过v r e f 和t v f 0 的电阻r m 而设定，频率和芯片的电压 增益以m h z 为单位或( g h z v ) ，也由这些定时元件设定。此外，v f o 可在内部触 发或在相应的输入端截止。 固定的导通时间带宽由可编程的单次触发定时器发出，r c 网络由内部电流源 在每周期开始充电，然后在导通时间内自动放电。上述过程发生在单次触发比较 起精确的阙值之内，只要使r c 元件放电低于比较器截止时间阈值就能容易地缩短 导通时间。 可编程的模块“t ”型触发器的输入为单次触发定时器的输出，“m o d e ”端上逻 辑选择既可以为双端结构提供交替输出，又可为单端式应用提供统一的输出a 和 输出b ，当v r e f 产生时，t 型触发器总是对着输出a 。 1 4 一种谐振模式电源管理芯片的设计 该芯片的输出驱动级具有双路驱动能力，并且具有图腾柱输出的特点。每个 图腾柱输出峰点驱动电流都设计为3 a ，可以保证开关管在导通瞬间不受损坏。当 图腾柱输出并联工作时，可以得到6 a 的峰值电流。图腾柱功率地设计时采用独立 引出端，此引出端把它们的功率地噪声和芯片的信号地端隔离开。 在该芯片中设计的软启动功能通过限制放大器输出给软启动端的电压来实 现，这和普通设计有一些不同。来自v v f o 的5 m a 内部电流源把外部软启动电容往 上拉，这个电容逐渐提高变换频率，一直达到启动时的频率。 在本项目的设计中，故障保护和控制电路模块均设计为可编程的形式。故障 比较器的同相输入端和反相输入端用来驱动一个可编程的时序锁存器，这个锁存 器由可编程的重新启动延迟瓜s td l y ) 端来控制，它有3 个工作方式：第一，它能 定向锁存输出知道u v l o 或v c c 被触发，与触发关闭电路类似；第二，它能使电 路在出现故障时停止工作，直到故障输从入比较器中消除，然后重新开始工作； 第三是最普通的工作方式，可以比喻为“打呃”，在接到故障信号时，输出被关断一 段时间，这段时间间隔是预先设定的，叫做重新启动延迟，只要在故障消除后就 会重新工作。实现故障保护功能，主要在设计时在r s td l y 端到地之间接个电 容器。故障控制时的编程图和故障控制波形如图3 2 所示 。中断 定 时 餐j 冼i ：l c s s1 li ，- - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - ；， 盈迟重新庙动。打彘一 故障二f 1 一 八 c 器1 ；一一一 l - 一， 图3 2 故障控制时编程图和故障控制波形示意图 3 4 本章小结 本章以开关电源技术原理为基础，根据该谐振模式的电源芯片设计的功能以 及性能指标，进行了该芯片的系统设计，并简要叙述了各个模块的基本功能。下 面一章，该进行